滕越,鄒斌,葉小敏

(1.國家海洋環(huán)境預報中心 北京 100081;2.國家衛(wèi)星海洋應用中心 北京 100081;3.自然資源部空間海洋遙感與應用研究重點實驗室 北京 100081)

0 引言

赤潮是復雜的海洋生態(tài)異?，F象,即海水中的藻類以及某些原生動物或細菌在特定環(huán)境條件下迅速繁殖和聚集而引起水體變色的有害生態(tài)現象,根據浮游生物的種類和繁殖程度[1]可呈現紅色和黃褐色等。1990年聯合國將赤潮列為世界近海三大污染問題之一[2]。近年來,我國赤潮呈現發(fā)生頻率提高、擴張范圍增大和影響危害加重的特點,對近海漁業(yè)、濱海旅游業(yè)、海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康都有嚴重的危害。目前我國對于赤潮的監(jiān)測手段主要包括船舶定點監(jiān)測、岸站和浮標監(jiān)測以及衛(wèi)星(航空)遙感監(jiān)測[3],其中衛(wèi)星遙感以大尺度、高分辨率、實時和長時間序列等特點可為赤潮監(jiān)測和預警預報提供較完善的信息,與傳統(tǒng)監(jiān)測方法具有很好的互補性,對采取有效措施治理和預防赤潮災害具有十分重要的意義。自20世紀80年代以來,隨著衛(wèi)星監(jiān)測平臺和傳感器的不斷發(fā)展,國內外衛(wèi)星遙感技術迅速發(fā)展,衛(wèi)星遙感主要依據水體光譜特征的差異或相關環(huán)境因子的異常變化對赤潮進行識別監(jiān)測[4],研究方法主要包括單波段法[5-7]、雙波段比值法[8-9]、歸一化植被指數(NDVI)法[10-11]、多波段差值比值法[12-17]、葉綠素a濃度法[18-20]、水溫水色法[21]、人工神經網絡法[22]和數值模擬法[23-24]。

國內外學者對衛(wèi)星赤潮遙感監(jiān)測技術開展諸多研究,現有的赤潮遙感監(jiān)測算法已較成熟。Xu等[25]基于MODIS數據比較歷史記載赤潮事件的光譜曲線和多年平均光譜曲線,提出基于背景場的赤潮監(jiān)測算法并用于提取東海赤潮信息,可有效地確定赤潮發(fā)生的位置;Yuji等[26]基于Sentinel-2 MSI的紅～近紅波段數據,提出監(jiān)測日本湖山池咸水湖赤潮的模型,通過相對大氣校正可自動生成葉綠素a和赤潮的分布圖,與實測葉綠素值有很好的相關性且符合指數回歸模型;Tao等[27]基于MERIS數據并采用熒光基線法監(jiān)測東海赤潮,與實地觀測結果吻合較好;陳蕓芝等[28]在多時相MODIS數據的基礎上,綜合運用葉綠素a濃度閾值法、葉綠素a濃度距平值閾值法和可視化分析法提取2008年5月東海赤潮分布信息,并分析不同方法的條件與不足;李陽東等[29]基于GOCI數據反演得到總懸浮物濃度和赤潮指數,通過設定這2個指標的閾值提取赤潮水體信息,與相關公報中記錄的赤潮位置和分布較吻合,同時發(fā)現浙江海域赤潮面積的日變化有先增后減的規(guī)律;孫麗雅等[30]利用MODIS數據提取2008年5月的東海赤潮信息,結果表明葉綠素濃度異常能更好地反映赤潮變化,綜合利用多種指標更有利于赤潮監(jiān)測。

我國海洋一號D(HY-1D)衛(wèi)星于2020年6月11日成功發(fā)射并與HY-1C衛(wèi)星組網,增加海洋觀測次數并提高全球覆蓋能力。HY-1D衛(wèi)星載荷海洋水色水溫掃描儀(COCTS)、海岸帶成像儀(CZI)、紫外成像儀(UVI)、星上定標光譜儀和船舶監(jiān)測系統(tǒng)。其中,CZI主要用于獲取陸海交互作用的海岸帶的實時圖像資料,了解河口港灣的海洋要素分布規(guī)律,并對赤潮和污染物等海洋環(huán)境災害進行監(jiān)測和預警;CZI的軌道高度為782 km,幅寬不小于950 km,空間分辨率為50 m,重訪周期為3 d,地方時為1:30AM±30 min,各波段的應用對象如表1所示。

波段/μm 應用對象0.42～0.50 葉綠素、污染、冰、淺海地形0.52～0.60 葉綠素、低濃度泥沙、污染、灘涂0.61～0.69 中等濃度泥沙、植被、土壤0.76～0.89 植被、高濃度泥沙、大氣校正

本研究基于HY-1D衛(wèi)星的CZI數據,選取北部灣、茂名近岸和陵水灣為研究區(qū)域,針對2021年2月發(fā)生的4例赤潮事件,通過遙感影像、葉綠素a濃度和赤潮指數進行監(jiān)測分析,從而掌握赤潮分布特征。

1 數據與方法

1.1 遙感數據

本研究所用的HY-1D衛(wèi)星的CZI數據獲取于2021年2月,均少云且成像清晰,包括L1B、L2A和L2C產品。其中,L1B為各波段大氣層頂輻亮度,用于呈現研究區(qū)域的真彩色影像;L2A為各波段經過瑞利散射校正后的反射率,用于計算赤潮指數;L2C為葉綠素a濃度和水色透明度產品。

葉綠素a濃度為HY-1D衛(wèi)星標準數據產品,數據來自國家衛(wèi)星海洋應用中心數據分發(fā)系統(tǒng)(https://osdds.nsoas.org.cn/OceanColor)。衛(wèi)星遙感數據的成像時間如表2所示。

覆蓋區(qū)域成像時間(年-月-日,時:分)北部灣 2021-02-14,05:56 2021-02-20,05:55茂名近岸 2021-02-23,05:55陵水灣 2021-02-23,05:54

1.2 赤潮指數

Kim等[31]基于MODIS數據提出赤潮指數(MRI),根據韓國沿海水域現場實測光譜,赤潮水體和非赤潮水體在488～551 nm波長范圍內呈反向梯度,其中非赤潮水體的梯度為正,赤潮水體的梯度為負。利用551 nm和488 nm波段的歸一化離水輻亮度構建赤潮指數表達式:

式中:W551和W488分別表示551 nm和488 nm波段的歸一化離水輻亮度。

考慮到HY-1D衛(wèi)星的CZI載荷4個波段,選取藍、綠2個波段生成適用于CZI的赤潮指數(RI)表達式:

式 中:Rrs560和Rrs460分別表示560 nm和460 nm波段的遙感反射率。

2 赤潮遙感監(jiān)測特征

2.1 遙感影像

2.1.1 北部灣

超聲波頻率一般在20 000赫茲以上，在水中傳播可產生釋放巨大能量的激化和突發(fā)，即空化效應，可產生高達數百個大氣壓的局部瞬間壓力，形成沖擊波，使固體表面及液體介質受到極大沖擊，將細胞破碎，溶出植物中的有效成分[47]。

北部灣位于我國南海西北部,面積為128 300 km2,海岸線長達1 628.6 km[32];北部灣三面環(huán)陸,海島眾多,是我國重要的漁場和海水養(yǎng)殖區(qū)。

北部灣海域2021年2月14日發(fā)生的赤潮水體呈亮紅棕色團絮狀分布在北部灣中部;赤潮海域的范圍為107°57'E-108°56'E、20°16'N-21°19'N,離岸距離為2.71 km,直徑約為9.15 km。

北部灣海域2021年2月20日發(fā)生的赤潮水體呈淺紅棕色片狀橫跨北部灣;赤潮海域的范圍為107°17'E-109°9'E、20°25'N-21°17'N,東西方向為19.59 km,南北方向為8.57 km。北部灣西部的赤潮海域呈條帶狀平行于越南廣寧近岸,距離長達11.97 km;向東于北部灣中部呈片狀覆蓋,直徑為4.49 km;再向東蔓延至潿洲島東部近岸,以21°7'N、109°7'E為中心在距離潿洲島0.5 km處呈放射狀分布,南北方向為3.03 km。

北部灣海域赤潮的發(fā)生可能與近年來北部灣經濟區(qū)的迅猛發(fā)展、過度捕撈和沿海工業(yè)開發(fā)密切相關[33]。北部灣海域污染嚴重,藻類繁殖和水體富營養(yǎng)化加劇,導致赤潮頻發(fā)。

2.1.2 茂名近岸

茂名位于廣東西南部,海岸線長為220 km,港灣眾多,石油化工業(yè)和臨港工業(yè)發(fā)達[34]。根據《南海區(qū)海洋災害公報》,2017-2018年茂名近岸海域發(fā)生2次赤潮,赤潮優(yōu)勢種均為球形棕囊藻。其中,2017年2月27日至3月17日放雞島至大竹洲島附近海域以及水東灣和博賀灣海域赤潮的最大面積達495 km2,2018年1月12日至2月5日水東灣和博賀灣海域赤潮的面積為44.96 km2。

茂名近岸海域2021年2月23日發(fā)生的赤潮水體呈亮紅棕色,從沙壩和上洋近岸的小港口開始向南蔓延,在入?？谔幊蕳l帶狀分布,至離岸10.06 km處聚集并呈團狀分布,團狀分布海域的南北方向為24.41 km;赤潮海域的范圍為111°2'E-111°41'E、21°8'N-21°31'N,東西方向為67.07 km,南北方向為43.22 km。

2.1.3 陵水灣

陵水灣位于海南東南部近岸,通過細長的潮汐汊道與我國南海相通,海岸線長為118.57 km,海域面積為1 898.9 km2[35];陵水灣憑借“三灣三島兩湖一山一水”的自然資源優(yōu)勢,海洋旅游業(yè)和海洋漁業(yè)發(fā)展迅速。

陵水灣海域2021年2月23日發(fā)生的赤潮水體呈紅棕色細條狀,從蜈支洲島南近岸向北延伸至陵水灣;赤潮海域的范圍為109°44'E-109°58'E、18°18'N-18°23'N,東西方向為23.81 km,南北方向為8.50 km。三亞海棠近岸繞蜈支洲島四周有細條狀赤潮分布,赤潮海域的離岸距離為0.81 km,與藤橋河入?？谙蚰涎由斓某喑焙Ｓ蛳嘟娱L達7.61 km。

2.2 葉綠素a濃度

2.2.1 各研究區(qū)域

葉綠素a濃度是主要的赤潮參數之一,當葉綠素a濃度的變化超過一定的閾值時,可能是赤潮發(fā)生的標志之一,因此由CZI反演計算得到各研究區(qū)域的葉綠素a濃度分布狀況。由于各研究區(qū)域均有陸源入海口,環(huán)境污染嚴重,藻類物質豐富,葉綠素a濃度均較高且向遠海逐級遞減至0.50 mg/m3左右。觀察上述4個赤潮事件可以發(fā)現,赤潮水體的葉綠素a濃度較周圍非赤潮水體存在異常高值(高約0.20 mg/m3),異常高值的范圍與對應研究區(qū)域赤潮遙感影像的位置相符,且在不同研究區(qū)域具有較好的一致性。

經綜合分析,當忽略赤潮水體葉綠素a濃度的異常高值時,北部灣海域的葉綠素a濃度呈現自東向西、自近岸向灣中部逐漸遞減的規(guī)律,這與已有研究結果相一致。2021年2月14日北部灣海域葉綠素a濃度的最高值(1.60 mg/m3)分布在周江入?？诤捅焙＝?離岸13.52 km處的葉綠素a濃度降至0.70 mg/m3;離岸46.97 km處赤潮水體的葉綠素a濃度異常增高至0.72 mg/m3,周圍非赤潮水體的葉綠素a濃度為0.52 mg/m3。2021年2月20日北部灣海域葉綠素a濃度的最高值(1.60 mg/m3)同樣出現在北海近岸,離岸22.84 km處的葉綠素a濃度降至0.70 mg/m3;越南廣寧離岸28.00 km處、北部灣中部離岸49.58 km處和潿洲島附近14.54 km處均有赤潮水體分布,葉綠素a濃度增高至0.72 mg/m3。

2021年2月23日茂名近岸海域葉綠素a濃度的最高值(1.50 mg/m3)分布在博賀至新屋近岸,從大竹舟至雙山島近岸向南出現異常高值即0.98 mg/m3,周圍非赤潮水體的葉綠素a濃度為0.77 mg/m3。

2021年2月23日陵水灣沿三亞海棠近岸海域有約0.33 km寬的葉綠素a濃度高值區(qū)(1.58 mg/m3),離岸0.89 km處的葉綠素a濃度約為0.50 mg/m3;赤潮水體的葉綠素a濃度沿陵水近岸地形走勢為0.70～1.50 mg/m3不等。

2.2.2 赤潮水體和非赤潮水體

利用目視法選取各研究區(qū)域的小范圍為感興趣區(qū),選取赤潮水體和非赤潮水體進行葉綠素a濃度的對比分析。

2021年2月14日北部灣:①非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.475～0.525 mg/m3時的占比最高達91.02%,在葉綠素a濃度為0.535～0.585 mg/m3時的占比為7.85%;赤潮水體在葉綠素a濃度為0.535～0.585 mg/m3時的占比最高達65.93%,在葉綠素a濃度為0.475～0.525 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3時的占比分別為16.83%和12.68%。因此,以最高占比來看,赤潮水體的葉綠素a濃度比非赤潮水體高0.060 mg/m3。②赤潮水體和非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.375～0.425 mg/m3時均沒有分布,在葉綠素a濃度為0.425～0.475 mg/m3時的占比分別為0.11%和0.51%。③非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.605～0.655 mg/m3時的占比為0.60%,且其占比隨著葉綠素a濃度升高而逐漸降低,當葉綠素a濃度高于1.235 mg/m3時沒有分布;赤潮水體在葉綠素a濃度為0.675～0.725 mg/m3、0.765～0.815 mg/m3、0.865～0.915 mg/m3、0.975～1.025 mg/m3、1.095～1.145 mg/m3和1.235～1.285 mg/m3時的占比分別為2.66%、0.92%、0.42%、0.22%、0.11%和0.12%,表明赤潮水體的葉綠素a濃度較非赤潮水體高。

2021年2月20日北部灣:非赤潮水體在葉綠素a濃度 為0.535～0.585 mg/m3和0.475～0.525 mg/m3時的占比分別為80.24%和19.75%,在葉綠素a濃度為0.605～0.915 mg/m3時的占比為0.004%～0.001%,在 葉 綠 素a濃 度 高 于0.915 mg/m3時沒有分布;赤潮水體在葉綠素a濃度為0.535～0.585 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3時的占比分別為41.4%和50.22%,在葉綠素a濃度為0.675～0.725 mg/m3和0.765～0.815 mg/m3時的占比分別為5.46%和1.41%,在葉綠素a濃度高于0.865 mg/m3時的占比低于1%。此外,隨著時間的增加,葉綠素a濃度呈升高趨勢,即2021年2月20日赤潮水體和非赤潮水體的葉綠素a濃度比2021年2月14日高0.025 mg/m3。

2021年2月23日茂名近岸:赤潮水體和非赤潮水體在葉綠素a濃度低于0.605 mg/m3時均沒有分布或占比僅約為0.001%;非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.675～0.725 mg/m3時的占比為77.92%,赤潮水體和非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.765～0.815 mg/m3時的占比分別為88.44%和22.07%;赤潮水體在葉綠素a濃度為0.865～0.915 mg/m3時的占比為10.32%,且在葉綠素a濃度高于0.915 mg/m3時的占比低于1%。因此,以最高占比來看,赤潮水體的葉綠素a濃度比非赤潮水體高0.090 mg/m3。

2021年2月23日陵水灣:非赤潮水體在葉綠素a濃度為0.475～0.525 mg/m3時的占比最高達92.64%,在葉綠素a濃度為0.425～0.475 mg/m3和0.535～0.585 mg/m3時的占比分別為3.29%和4.06%,在其他葉綠素a濃度范圍均沒有分布;赤潮水體在葉綠素a濃度為0.535～0.585 mg/m3和0.605～0.655 mg/m3時的占比分別為61.5%和30.71%,在葉綠素a濃度高于0.655 mg/m3時的占比低于2%。由此也可看出,赤潮水體的葉綠素a濃度整體比非赤潮水體高。

2.2.3 葉綠素a平均濃度

感興趣區(qū)的葉綠素a平均濃度以及基于非赤潮水體的差值占比如表3所示。

感興趣區(qū)葉綠素a平均濃度/(mg·m-3)赤潮水體 非赤潮水體差值占比/%北部灣2021-02-14 0.570 7 0.503 4 13.37北部灣2021-02-20 0.614 3 0.538 7 14.03茂名近岸2021-02-23 0.814 9 0.740 1 10.11陵水灣2021-02-23 0.604 8 0.496 3 21.86

由表3可以看出:茂名近岸海域的葉綠素a平均濃度最高,2021年2月14日北部灣海域的葉綠素a平均濃度最低;赤潮水體的葉綠素a平均濃度均比非赤潮水體高,其中北部灣海域和茂名近岸海域的差值占比均低于15%,而陵水灣海域的差值占比高于20%。

2.3 赤潮指數

基于CZI藍、綠波段的遙感反射率,應用式(2)計算各研究區(qū)域的赤潮指數,結果表明各研究區(qū)域赤潮分布的空間形態(tài)特征與赤潮遙感影像和葉綠素a濃度有較好的一致性,赤潮水體的赤潮指數比非赤潮水體高0.05～0.10。

對比分析各感興趣區(qū)赤潮水體和非赤潮水體的赤潮指數:①2021年2月14日北部灣海域赤潮水體和非赤潮水體在赤潮指數為-0.075～-0.025時的占比分別為81.91%和81.11%;赤潮水體在赤潮指數為-0.025～0.025、0.025～0.075和0.075～0.275時的占比分別為15.61%、1.38%和低于1%,非赤潮水體在赤潮指數為-0.125～-0.075和-0.025～0.025時的占比分別為17.24%和1.66%且在赤潮指數高于0.175時沒有分布。②2021年2月20日北部灣海域非赤潮水體在赤潮指數為-0.075～-0.025時的占比高達99.99%,赤潮水體在赤潮指數為-0.075～-0.025和-0.025～0.025時的占比分別為26.15%和70.58%。③2021年2月23日茂名近岸海域赤潮水體和非赤潮水體在赤潮指數為0.025～0.075時的占比分別為98.11%和93.08%,非赤潮水體在赤潮指數為-0.025～0.025時的占比為6.92%,赤潮水體在赤潮指數為0.075～0.125時的占比為1.81%。④2021年2月23日陵水灣海域非赤潮水體在赤潮指數為-0.075～-0.025時的占比最高達96.42%,在赤潮指數為-0.125～0.075時的占比為3.58%,在其他赤潮指數范圍沒有分布;赤潮水體在赤潮指數為-0.075～-0.025、-0.025～0.025、0.025～0.075和0.075～0.275時的占比分別為57.53%、38.78%、2.09%和低于0.08%。

感興趣區(qū)的平均赤潮指數以及基于非赤潮水體的差值占比如表4所示。

感興趣區(qū)平均赤潮指數赤潮水體 非赤潮水體差值占比/%北部灣2021-02-14 -0.036 9 -0.065 3 43.49北部灣2021-02-20-0.014 8 -0.048 1 69.23茂名近岸2021-02-23 0.054 1 0.031 4 72.29陵水灣2021-02-23 -0.023 5 -0.062 3 62.28

由表4可以看出:赤潮水體的平均赤潮指數均比非赤潮水體高,這與葉綠素a平均濃度的分布特征相一致;茂名近岸海域的平均赤潮指數與差值占比最高,2021年2月14日北部灣海域的平均赤潮指數與差值占比最低。

3 結語

HY-1D衛(wèi)星的CZI載荷具有空間分辨率較高和重訪周期較短的優(yōu)勢,可實現對赤潮等海洋生態(tài)災害的動態(tài)監(jiān)測。本研究基于CZI數據分析研究區(qū)域的遙感影像、葉綠素a濃度和赤潮指數的主要特征,其中遙感影像可清晰呈現赤潮分布狀況即形狀各不相同、覆蓋范圍很廣以及均呈紅棕色,葉綠素a濃度和赤潮指數的異常值范圍與遙感影像一致,赤潮水體的葉綠素a濃度和赤潮指數整體高于非赤潮水體。由于赤潮的發(fā)生與海面溫度、鹽度、風向和洋流等環(huán)境因子和地理水文要素密切相關,后續(xù)研究重點為環(huán)境因子和地理水文要素等對赤潮生消過程的影響。